Extrem leichte Graphenblöcke für biegsame Stromspeicher und Leichtbaukonstruktionen

Clayton (Australien) – Extrem dünn, aufrollbar, elektrisch leitfähig und hochstabil: Diese Eigenschaften bieten hauchdünne Kohlenstoffschichten aus dem noch jungen Material Graphen. Nun entwickelten Wissenschaftler eine Methode, um aus diesem flachen Werkstoff neue, dreidimensionale Strukturen mit bisher unerreichten Eigenschaften zu konstruieren. In der Fachzeitschrift „Nature Communications“ erklären sie, wie sie diese neue Materialklasse nach dem Vorbild der vielseitigen Rinde der Korkeiche fertigen konnten.

Mikroskopbild in schwarz-weiß, auf dem eine Fläche aus unregelmäßig geformten Waben zu sehen ist.
Wabenstruktur des Werkstoffs

„Diese dreidimensionalen Strukturen könnten viele Anwendungen ermöglichen, die mit einzelnen Graphenschichten nicht möglich wären“, sagt Dan Li von der Monash University in Clayton. Dazu zählt er beispielsweise elastisch verformbare Akkus, hitzeresistente Baumaterialien, langlebige Stoßdämpfer oder extrem leichte und zugleich stabile Hüllen für Autos und Flugzeuge. Zusammen mit seinen Kollegen schuf er über einen mehrstufigen Prozess wenige Zentimeter kleine Graphen-Blöcke. Die Forscher heizten die in einer Lösung verteilte Graphenoxidschichten erst auf, unterzogen die Masse dann einer Schockfrostung und ließen sie nach dem Auftauen wieder trocknen. Dabei lagerten sich die hauchdünnen Schichten nach und nach zu komplexen dreidimensionalen Strukturen zusammen und gaben die ursprünglich angedockten Sauerstoffatome ab.

Unter dem Mikroskop erkannten Li und Kollegen, dass sich aus den Graphenschichten in ihrem Testblock eine wabenfärmigen Struktur gebildet hatte, vergleichbar mit dem inneren Aufbau von Kork. Mit einer Dichte von gerade einmal fünf Mikrogramm pro Kubikzentimeter war das neue Material allerdings hundertmal leichter als das natürliche Vorbild. So wenig wiegen bisher nur spezielle Aerogele, die aber bei weitem nicht so stabil sind wie die neuen Graphenblöcke. Belastungsversuche belegten die hohe Festigkeit. Zudem ließen sich die Proben flexibel zusammendrücken und dehnten sich ohne Drucklast rasch wieder zu fast ihrer ursprünglichen Größe aus.

Diese sogenannte Graphenelastomere vereinen ein extrem geringes Gewicht mit hoher Festigkeit, Flexibilität und elektrischer Leitfähigkeit wie kein anderer bisher bekannter Werkstoff. Daher ist es nicht unwahrscheinlich, dass auf der Grundlage dieser australischen Versuche nun Prototypen für Stoßdämpfer, Akkuelektroden oder gar medizinische Prothesen entstehen könnten. Zuvor muss das Verfahren allerdings für die Synthese größerer Graphen-Blöcke weiterentwickelt werden.

Dreidimensionale Graphenelastomeren vergrößern das schon heute weite Feld möglicher Anwendungen für die hauchdünnen Kohlenstoffschichten. Dabei wurden sie erst 2004 von dem in Russland geborenen Niederländer Andre Geim und dem russisch-britischen Staatsbürger Konstantin Novoselov entdeckt, die dafür beide 2010 den Nobelpreis für Physik erhielten. Seitdem erforschen zahlreiche Gruppen weltweit diese Form des Kohlenstoffs und konnten deren Tauglichkeit für Computerchips, Molekularfilter, Display- und Akkuelektroden, reißfeste Garne oder gar für Minilabore zur Entschlüsselung des Erbguts bereits unter Beweis stellen.